COMPARATIVE STUDY ON BENDING PERFORMANCE NUMERICAL SIMULATION OF DIFFERENT TYPES OF FRP REINFORCED CONCRETE BEAMS BASED ON ANSYS

Лю Цянь; Андрей Викторович Тур

doi:10.36773/1818-1112-2025-138-3-45-52

Авторы

Лю Цянь УО «Брестский государственный технический университет»
Андрей Викторович Тур УО «Брестский государственный технический университет» https://orcid.org/0000-0002-9744-9044

DOI:

https://doi.org/10.36773/1818-1112-2025-138-3-45-52

Ключевые слова:

армировка FRP, бетонная балка, производительность изгиба, цифровое моделирование, кривая отклонения нагрузки, SOLID65, Уильям – Варенке

Аннотация

Чтобы систематически сравнить различия в изгибочных характеристиках различных типов железобетонных балок из волоконно-армированных полимеров (ФРП), в настоящей статье установлены четыре уточненные трехмерные нелинейные цифровые модели с использованием крупномасштабного программного обеспечения конечных элементов общего назначения ANSYS. В этих моделях используются обычные стальные прутки, прутки из полимера, армированного стекловолокном (GFRP), прутки из полимера, армированного арамидным волокном (AFRP), и прутки из полимера, армированного углеродным волокном (CFRP) в качестве основного армирования на растяжение, поддерживая полную консистенцию в геометрических размерах, прочности бетона и соотношении армирования (ρ = 0,56 %). Моделируя трехточечный процесс загрузки изгиба, сравниваются и анализируются режимы сбоя, кривые отклонения нагрузки, жесткость изгиба, конечная несущая способность и режимы распространения трещин каждой модели. Результаты моделирования показывают, что модель железобетонных балок (Steel-RC) демонстрирует типичное эластопластическое поведение, в конечном счете, приводящее к гибкому отказу из-за подачи стальной штанги (Pu ≈ 56,0 kN, δu ≈ 40,0 mm). Все модели железобетонных балок из ФРП приняли конструкцию, чрезмерно армированную, и окончательным режимом отказа было дробление бетона в зоне сжатия, демонстрируя хрупкие характеристики отказа. Механические свойства различных армирующих материалов из ФРП, особенно модуль эластичности, играют решающую роль в производительности изгиба балок: модель железобетонных балок из ХФРП (Ef = 124,2 GPa) имеет самую высокую жесткость изгиба и конечную несущую способность (Pu ≈ 125,0 kN); среди всех усиленных балков из FRP модель усиленного балка из GFRP (Ef = 45,0 GPa) имеет самую низкую посттрещиновую жесткость и конечную несущую способность (Pu ≈ 82,5 kN), а также наибольшее конечное отклонение (Δu ≈ 40,0 mm); производительность модели усиленного луча AFRP (Ef = 50,1 GPa) находится между двумя (Pu ≈ 86,4 kN, Δu ≈ 35,0 mm). Это исследование подтверждает эффективность метода конечных элементов в моделировании напряженного поведения FRP-армированных бетонных балок. Результаты количественно определяют ключевые различия в свойствах изгиба между различными армирующими материалами из ФРП, обеспечивая важную цифровую основу и конструкционную ссылку для инженерного сообщества для рационального выбора материалов из ФРП на основе требований к структурным характеристикам (контроль прочности или контроль жесткости) при столкновении с проблемами долговечности.

Биографии авторов

Лю Цянь, УО «Брестский государственный технический университет»

Аспирант, УО «Брестский государственный технический университет», Брест, Беларусь.

Андрей Викторович Тур, УО «Брестский государственный технический университет»

Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой архитектуры, УО «Брестский государственный технический университет», Брест, Беларусь.

Библиографические ссылки

13.65. SOLID65 – 3-D Reinforced Concrete Solid / ANSYS Inc. // In ANSYS Mechanical APDL Theory Reference (Release 18.2). – 2017. – Retrieved November, 15.

Serviceability and flexural behavior of concrete beams reinforced with basalt fiber-reinforced polymer (BFRP) bars exposed to harsh conditions / H. Alkhraisha, N. Tello, F. Albed, H. Mhanna // Polymers. – 2020. – Vol. 12 (9). – P. 2110. – DOI: 10.3390/polym12092110.

Flexural strength of concrete beam reinforced with CFRP bars: A review / M. B. C. Bakar, R. S. M. Rashid, M. Amran [et al.] // Materials. – 2020. – Vol. 15 (3). – P. 1144. – DOI: 10.3390/ ma15031144.

Bai, H. Multiscale analysis of the flexural performance of FRP reinforced concrete structures. Canadian Journal of Civil Engineering / H. Bai, X. Yuan, Z. Gong // Advance online publication. – 2024. – DOI: 10.1139/cjce-2024-0005.

Baghi, H. Shear strengthening of reinforced concrete beams with SHCC-FRP panels : diss… Doctoral / Baghi Hadi ; Universidade do Minho ; Research Gate, 2015. – 236 l.

Serviceability limit state of FRP RC beams / C. Barris, M. Baena, L. Torres, K. Pilakoutas // Advances in Structural Engineering. – 2012. – Vol. 15 (4). – P. 653–664. – DOI: 10.1260/1369-4332.15.4.653.

Experimental study on flexural performance of corroded RC beams strengthened with AFRP sheets / Z.-C. Deng, H.-F. Li, L. Wang, L.-P. Zhang // Lin Key Engineering Materials. – 2009. –Vol. 405–406. – P. 343–349. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.405-406.343.

CEE 142L reinforced concrete structures laboratory : Beam experiment / Department of Civil and Environmental Engineering. – Los Angeles : University of California, 2002. – URL: https://www.seas.ucla.edu/~wallace/ Files%20%20Teaching%20Page/CE%20142L/142L%20beam%20experiment.pdf (date of access: 29.10.2025).

Investigation of the shear behavior of concrete beams reinforced with FRP rebars and stirrups using ANN hybridized with genetic algorithm / B. Di, Y. Zheng, R. Qin, J. Lv // Polymers. – 2023. – Vol. 15 (13). – P. 2857. – DOI: 10.3390/polym15132857.

Evaluating the ultimate capacity of FRP reinforced concrete beams by using Eurocode 2 and ACI 440.1R-06 / A. Elsheikh, M. Adam, M. Said, A. Salah // Engineering Research Journal (ERJ). – 2024. – Vol. 53 (2). – P. 245–254. – DOI: 10.21608/erjsh.2023.241473.1227.

Halahla, A. Study the behavior of reinforced concrete beam using finite element analysis. / A. Halahla // In Proceedings of the 3rd World Congress on Civil, Structural, and Environmental Engineering, April 8–10, 2018, Budapest / Avestia Publishing. – Budapest, 2018. – 9 p. – DOI: 10.11159/icsenm18.103.

Karabulut, M. Nonlinear load-deflection analysis of steel rebar-reinforced concrete beams: Experimental, theoretical and machine learning analysis / M. Karabulut // Buildings. – 2025. – Vol. 15 (3). – P. 432. – DOI: 10.3390/buildings15030432.

Flexural behavior of concrete beams reinforced with aramid fiber reinforced polymer (AFRP) bars / M. S. Kim, A.-Ch. Kim, Y. H. Lee, A. Scanion // Structural Engineering and Mechanics. – 2011. – Vol. 38 (4). – P. 459–477. – DOI: 10.12989/sem.2011.38.4.459.

Li, M. Review on FRP strengthened concrete structures: Current advances, challenges and emerging innovations / M. Li, Y. Du, M. Li // Applied and Computational Engineering. – 2025. – Vol. 172. – P. 18–28. – DOI: 10.54254/2755-2721/2025.GL24467.

Renić, T. Ductility of concrete beams reinforced with FRP rebars / T. Renić, T. Kišiček // Buildings. – 2021. – Vol. 11 (9). – P. 424. – DOI: 10.3390/buildings11090424.

Saadi, G. M. S. Experimental investigation of CFRP high-strength concrete beams incorporating recycled concrete aggregate / G. M. S.Saadi, M. H. F. Rasheed, A. Z. S. Agha // Buildings. – Vol. 15 (9). – P. 1418. – DOI: 10.3390/buildings15091418.

Nonlinear finite element analysis for concrete deep beam reinforced with GFRP bars / M. Said, T. M. El-Rakeeb, A. Salah, N. M. Mohammed // Journal of Engineering Research and Reports. – 2021. – Vol. 21 (12). – P. 43–52. – DOI: 10.9734/jerr/2021/v21i1217517.

Sakar, G. Easy prestressing of FRP for strengthening RC beams: Experimental study with an analytical approach / G. H. Sakar, K. Celik // Polymers. – 2025. – Vol. 17 (12). – P. 1628. – DOI: 10.3390/polym17121628.

Salem, M. Nonlinear finite element analysis of high and ultra-high strength concrete beams reinforced with FRP bars / M. Salem, M. S. Issa // HBRC Journa. – 2023. – Vol. 19 (1). – P. 15–31. – DOI: 10.1080/16874048.2023.2170765.

Sammen, S. S. Nonlinear finite element analysis of concrete beam reinforced with fiber reinforced polymer (FRM) / S. S. Sammen, Q. W. Ahmed, S. N. Al-karawi // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – Vol. 518 (2). – DOI: 10.1088/1757-899X/518/2/022086.

The mechanical and environmental performance of fiber-reinforced polymers in concrete structures: Opportunities, challenges and future directions / S. Sbahieh, U. A. Ebead, S. G. Al-Ghamdi, M. Rabie // Buildings. – 2022. – Vol. 12 (9). – P. 1417. – DOI: 10.3390/buildings12091417.

Sbahieh, S. A comparative life cycle assessment of fiber-reinforced polymers as a sustainable reinforcement option in concrete beams / S. Sbahieh, G. McKay, S. G. Al-Ghamdi // Frontiers in Built Environment. – 2023. – Vol. 9. – P. 1194121. – DOI: 10.3389/fbuil.2023.1194121.

Experimental study on the flexural performance of GFRP-reinforced concrete beams with a prefabricated permanent UHPC formwork / Y. Su, J. Shang, C. Jin [et al.] // Journal of Composites for Construction. – 2024. – Vol. 29 (1). – DOI: 10.1061/JCCOF2.CCENG-4835.

Tran, H. T. Flexural behavior of beams reinforced with FRP bars: Test database, design guideline assessment, and reliability evaluation / H. T. Tran, T. Nguyen-Tho // Buildings. – 2025. – Vol. 15 (18). – P. 3373. – DOI: 10.3390/buildings15183373.

Tran, H. N. State-of-the-art review of studies on the flexural behavior and design of FRP-reinforced concrete beams / H. T. Tran, K. C. T. Nguyen, H.-B. Dinh // Materials. – 2025. – Vol. 18 (14). – P. 3295. – DOI: 10.3390/ma18143295.

Application of fiber-reinforced polymer (FRP) composites in mitigation measures for dam safety risks: A review / L. Zhao, F. Xiao, P. Lin, G. Bai // Buildings. – 2025. – Vol. 15 (19). – P. 3558. – DOI: 10.3390/buildings15193558.